Характеристики некоторых защитных материалов

Рассмотрим некоторые материалы, получившие широкое применение для защиты от нейтронного излучения.

Вода используется не только как замедлитель в активной зоне реактора, но и как защитный материал от нейтронного излучения (благодаря высокой плотности атомов водорода). После многих столкновений с атомами водорода быстрые нейтроны замедляются до тепловой энергии, а затем поглощаются средой. При поглощении тепловых нейтронов ядрами водорода возникает захватное γ-излучение, которое можно значительно снизить, если применить борированную воду. В этом случае тепловые нейтроны будут поглощаться бором.

Малая плотность воды не позволяет использовать её как защиту от γ-излучения

Сталь является основным конструкционным материалом для изготовления оборудования, контейнеров и т.п., поэтому её также удобно рассматривать в качестве защиты. Защита из стали от γ-излучения на 30% тяжелее эквивалентной свинцовой защиты, но это компенсируется лучшими конструкционными качествами.

Как защита от нейтронного излучения сталь более эффективна, чем свинец. Однако при использовании стали необходимо учитывать и её недостатки. Под действием тепловых нейтронов железо, являющееся основной составляющей частью стали, активируется с образованием долгоживущего γ-активного радионуклида Fe⁵⁹, с периодом полураспада 45 суток. Примеси марганца, тантала и кобальта в стали также дают дополнительную наведенную γ-активность.

Захватное γ-излучение и остаточную активность можно в значительной степени уменьшить, если добавить в сталь борное соединение и получить борную сталь.

Бетон является основным материалом для защиты от излучений, если масса и размер защиты не ограничиваются другими условиями. Бетон, применяющийся для защиты от излучений, состоит из заполнителей, связанных между собой цементом. В состав цемента в основном входят оксиды кальция, кремния, алюминия, железа и лёгкие ядра, которые интенсивно поглощают γ-излучение и замедляют быстрые нейтроны. Поглощение плотности потока нейтронов бетонной защитой может быть существенно увеличено введением соединения бора в состав материала защиты.

Поглощающая способность γ-излучения зависит от плотности бетона, которая может составлять 2,4-6,6 г/см³. Наибольшая плотность бетона получается при использовании в качестве заполнителя железного скрапа (стальных шариков, проволоки, обрезков стального лома), наименьшая – при использовании песка и гравия. Конструкция бетонной защиты может быть монолитной или состоять из отдельных блоков.

Свинец за счёт высокой плотности является хорошей защитой от γ-излучения. Также свинец достаточно хорошо поглощает нейтронное излучение. Однако, применение свинца ограничивается низкой температурой плавления (327°С), неудовлетворительными механическими свойствами и достаточно высокой ценой.

При ограничении размеров и массы защиты от γ-излучения целесообразно использовать тяжелые материалы: вольфрам, тантал. Они могут использоваться при высоких температурах (больше 1000°С). Однако, использовать эти металлы для защиты во многих случаях оказывается нецелесообразно по причине высокой стоимости.

Графит находит широкое применение в реакторах на тепловых нейтронах в качестве замедлителя и отражателя. Он обладает хорошими тепловыми свойствами и достаточной прочностью, легко поддается механической обработке. Однако графит имеет низкую стойкость к окислению, в результате чего он становится хрупким. Кроме того, при облучении нейтронами кристаллическая решетка графита повреждается, что отражается на его физических свойствах. Для повышения стойкости графита к окислению до температуры 500 – 950°С производится покрытие его поверхности пленкой из фосфатного стекла.

Кадмий хорошо поглощает тепловые нейтроны. При этом возникает захватное γ-излучение. Кадмий не обладает достаточно хорошими механическими свойствами. Поэтому чаще применяют сплав кадмия со свинцом, который наряду с хорошими защитными свойствами от нейтронного и γ-излучений имеет лучшие механические свойства по сравнению с чистым кадмием.

Полиэтилен (СН₂)_n содержит больше атомов водорода на единицу объёма по сравнению с водой, поэтому он является лучшим замедлителем, чем вода. Полиэтилен можно применять на таких участках защиты, где температура не достигает температуры его размягчения (115°С). Полиэтилен можно отлить любой формы. Он применяется в виде листов, лент, прутков и т. п. При использовании полиэтилена необходимо учитывать его высокий коэффициент линейного расширения. С повышением температуры полиэтилен размягчается, а затем загорается, образуя двуокись углерода и воду. Для уменьшения захватного γ-излучения в полиэтилен добавляют борсодержащие вещества.

Парафин, как и полиэтилен, применяют для замедления быстрых нейтронов. Чаще используют борированный парафин.

Защита, в одинаковой мере эффективная по отношению к нейтронам и γ-излучению, должна со­держать в своем составе тяжёлые и лёгкие материалы. Это достигают путём размещения, например, в воде листов (пластин стали или свин­ца).